CN105490715A - 一种基于IEEE80211p标准的多天线车载网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于IEEE802.11p标准的多天线车载网络通信方法，包括以下步骤：步骤一、在作为发送端和接收端的车载节点/路侧节点上分别安装多根天线，组成多天线车载网络；步骤二、发射端对信号进行编码处理；步骤三、利用MIMO双选信道，进行信号的无线传输；步骤四、接收端合并各个天线上接收到的信号来联合检测信号；步骤五、接收端对信号进行解码处理。本发明在现有IEEE802.11p标准体系下，结合MIMO技术，在不增加系统带宽的前提下，有效增大系统容量和频谱利用率，使系统对高速运行的车辆进行快速的信息采集和信息传递，实现智能交通通信网络中交通信号的高速可靠传递，提高交通运输效率，缓解交通拥堵，提高路网通行能力。

Description

一种基于IEEE80211p标准的多天线车载网络通信方法

技术领域

本发明涉及车载网络通信技术领域，具体地说，涉及一种基于IEEE802.11p标准的多天线车载网络通信方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，交通通行能力满足不了日益增长的交通需求，交通拥堵、交通事故、环境污染及能源短缺已成为世界各国面临的共同问题。最初解决交通问题的方法是大规模扩建交通基础设施。然而，由于土地、岸线等资源的日益紧张，用于基础设施扩建的空间越来越小。因此，智能交通系统(IntelligentTransportationSystem,ITS)应运而生。ITS是对通信、控制和信息处理技术在交通系统中集成应用的统称。交通通信系统作为通信技术在ITS中的具体应用，是在传感器网络技术发展基础上，在车辆上应用先进的无线通信技术，实现交通信息化、智能化的手段。通过发展交通通信系统，可以有效填补交通系统中车辆缺乏沟通能力的空白，从而实现车辆对道路环境的感知，以及行人和控制中心对车辆运行状态的感知。

然而，交通环境的复杂多变性引起反射环境的变化，直接导致信道时延和各到达径分布的变化，并引起信道的大尺度衰落时变。同时，交通车载终端的移动性和不确定性直接产生信道的小尺度衰落时变。作为确保交通安全高效的重要手段，交通通信对通信可靠性有着极高的要求，该要求与交通信道特殊性的矛盾决定了研究交通通信是一项急迫而又有挑战性的工作。

DSRC是一种专门用于支持车与车(Vehicle-to-Vehicle,V2V)以及车与路(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)通信的车载安全应用的无线通信技术。在高速移动的车载环境下除了要提供传统的数据业务外，最主要的是要传送实时的安全与管理消息，以提高车辆运行的安全性。车载网络系统通过V2V和V2I通信，可为车辆广播路面信息，提供自适应导航等，保障了车辆行驶的安全性。

美国、欧洲和日本等发达国家已经制定了相关的标准，划分了相应频段。2004年，IEEE专门成立了车辆通信环境下的无线接入(WirelessAccessintheVehicularEnvironment,WAVE)工作组，802.11p协议主要负责物理层及MAC层，而IEEE1609则主要规定了相应的高层协议。美国联邦通信委员会规定5.9GHz频段上分配了75MHz专门用于DSRC，其交通管理部门预测基于DSRC的车联网通信将能够有效减少交通事故，提高公共交通安全。

我国目前还没有制定公布智能交通无线通信技术标准，相关研究正在积极的开展进行中。国际上车载通信的研究热点集中在国际标准IEEE802.11p协议的研究。IEEE802.11p是由IEEE802.11标准修改扩充的通信协议，主要用于车载电子无线通信，以支持高速移动环境中车与车、车与路边单元进行通信。

IEEE802.11p通过在物理层上扩大数据帧的保护间隔，使得可容忍均方根时延更大，这样可以支持更高移动速度。然而，IEEE802.11p的数据速率最高为27Mbps，相对于802.11a/g的54Mbps减半，这一数据速率对于国外车辆通信主要传输安全消息和一般数据服务来说基本够用，但对于我国交通现状以及发展趋势，这样的原始数据速率显然不够。

另外，为了提高车辆出行的安全性以及道路的通行能力，交通信息的准确传递及实时交互也是交通通信网络的必然需要。提升信息传递可靠性和数据传输速率已成为迫切的要求。

发明内容

为了提升智能交通无线通信信息传递可靠性和数据传输速率，本发明提供一种基于IEEE802.11p标准的多天线车载网络通信方法，其具体的技术方案如下：

一种基于IEEE802.11p标准的多天线车载网络通信方法，包括以下步骤：

步骤一、在作为发送端和接收端的车载节点/路侧节点上分别安装多根天线，组成多天线车载网络；

步骤二、发射端对信号进行编码处理；

步骤三、利用MIMO双选信道，进行信号的无线传输；

步骤四、接收端合并各个天线上接收到的信号来联合检测信号；

步骤五、接收端对信号进行解码处理。

其中，步骤三中，所述的MIMO通信技术为空分复用技术或空时编码技术或空域调制技术：

1)采用空分复用技术，在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去；如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源；所述空间复用技术在高信噪比条件下大大提高信道容量；

2)采用空时编码技术，在空间域和时间域两个维度方向上对信号进行编码——在不同时刻、不同天线上发射数据的多个副本，从而利用时间和空间分集以提高数据传输可靠性的编码；该技术空间上采用多发多收天线的空间分集来提高无线通信系统的容量和信息率；时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个发射天线，在接收端进行分集接收；

3)采用空域调制技术，将要发射的信息比特调制成两个部分——信号星座图和发射天线的序；即在某一时刻，只有部分发射天线激活，接收端通过信道信息判断出是哪个或哪些发射天线被激活，以此解调出空域调制的信息比特。

进一步，步骤二中，编码处理过程如下：

1)编码：在发送端，采用卷积编码方式(码率)，发送信号经过信道编码器以后传输比特数变为之前的两倍；

2)打孔：采用打孔器对编码后的发送信号进行打孔，得到相应的编码速率；若经过打孔以后比特数不是数据子载波48的整数倍，在打孔后的比特序列后填充比特；

3)交织器处理：采用交织器进行信号处理；

4)调制器处理：调制器对经过交织器后输出的发送信号进行调制，采用的调制方式从BPSK、QPSK、16QAM和64QAM中选择；

5)导频插入：导频插入模块在第-21、-7、7和21个子载波处插入4个导频，用于相位跟踪；

6)IFFT处理：采用IFFT模块，进行OFDM调制；

7)插入保护间隔以及前同步码：在IFFT之后插入保护间隔以及前同步码。

进一步，步骤五中，解码处理过程包括信道解码器、解打孔器、解交织器、解调器、FFT、去除保护间隔模块和同步模块，上述过程为发送端编码处理过程的逆过程。

此外，步骤五中，解码处理过程还包括纠正频偏、时偏、相位旋转，并且进行信道估计以及信号检测。

本发明所提供的一种基于IEEE802.11p标准的多天线车载网络通信方法，具有以下优点：

本发明在现有IEEE802.11p标准体系下，结合MIMO技术，在不增加系统带宽的前提下，有效增大系统容量和频谱利用率，使系统对高速运行的车辆进行快速的信息采集和信息传递，从而实现对车辆及道路情况的有效监测及合理的调度，有效提高通信可靠性，实现大的交通通信网络数据量的准确高效传输，为交通管理部门以及路上车辆提供可靠的交通信息和路况信息。

通过本发明，实现智能交通通信网络中交通信号的高速可靠传递，保障交通安全，提高交通运输效率，缓解交通拥堵，提高路网通行能力，降低能源消耗。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种多天线车载网络的发送端物理层示意图。

图2是本发明实施例1中一种多天线车载网络的接收端物理层示意图。

图3是本发明中实施例1中三种MIMO技术的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的一种基于IEEE802.11p标准的多天线车载网络通信方法作进一步详细的说明。

本发明的一种基于IEEE802.11p标准的多天线车载网络通信方法，包括以下步骤：

步骤一、在作为发送端和接收端的车载节点/路侧节点上分别安装多根天线，组成多天线车载网络；

步骤二、发射端对信号进行编码处理；

步骤三、利用MIMO双选信道，进行信号的无线传输；

步骤四、接收端合并各个天线上接收到的信号来联合检测信号；

步骤五、接收端对信号进行解码处理。

下面结合实施例1对上述方法进行说明。

实施例1

图1是本实施例一种多天线车载网络的发送端物理层示意图。结合图1，在发送端，采用卷积编码方式(码率R＝1/2)，发送信号经过信道编码器以后传输比特数变为之前的两倍。为了消除冗余对编码后的发送信号进行打孔，从而得到相应的编码速率。若经过打孔以后比特数不是数据子载波(48)的整数倍，需要在打孔后的比特序列后填充比特以满足要求。为了消除突发错误，该系统中加入了交织器。调制器对经过交织器后输出的发送信号进行调制，车载通信标准中总共支持四种调制方式，分别为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。导频插入模块根据IEEE802.11p标准规定在第-21、-7、7和21个子载波处插入4个导频。之后是快速傅里叶反变换(InverseFastFourierTransform,IFFT)模块，也就是正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)调制，在IFFT之后要插入保护间隔以及前同步码。

然后，通过多根发射天线将信号发送出去，通过交通MIMO通信网络双选信道后，在接收端收到的信号存在不同程度的频偏、相位旋转、干扰等缺陷。因此，在接收端需要有相应的复杂算法，纠正频偏、时偏、相位旋转，并且进行信道估计以及信号检测。其中，信道解码器、解打孔器、解交织器、解调器、FFT、去除保护间隔模块和同步模块均是发送端对应模块的逆过程。

下面对2x2MIMO系统的三种基本传输技术(如图3所示)进行重点实例介绍。

(1)V-Blast(空分复用技术)：该方案的主要思想是充分利用多径效应带来的好处，而不是试图去消除多径的影响。V-Blast将多径看作获取分集增益的手段，将数据流分割成多个并行数据流，每个子数据流通过不同的发送天线发出(如图3所示)。该方法实现简单，且可以在相同发射功率和传输带宽的条件下，有效地提高数据传输速率。

(2)Alamouti(空时编码技术)：最初Alamouti方案的提出是专门为2x2的MIMO系统设计的，通过在接收端最大似然译码算法，该方法可以获得完全的分集增益。如图3所示，发送端的传输符号为s₁和s₂，经过Alamouti编码后，传输符号矩阵为

$S=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& -s_2^{*}\\ s_2& s_1^{*}\end{array}\right]$

上式中，第一列代表第一个传输时隙，第二列代表第二个传输时隙；第一行表示第一根天线发送的符号，第二行表示第二根天线发送的符号。

(3)空间移键控(SpaceShiftKeying，SSK)：作为空域调制的一种，SSK在信号传输过程中，通过传输天线序号来传递信息，而不是直接传输信息本身。另外，还需确定调制规则，接收端也需要获知该调制规则。如图3所示，同一时隙，只有一根天线被激活用于传递信息；因此，接收端只需判别哪根天线被激活，根据事先获知的调制规则，解调出SSK的信息比特。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于IEEE80211p标准的多天线车载网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在作为发送端和接收端的车载节点/路侧节点上分别安装多根天线，组成多天线车载网络；

步骤二、发射端对信号进行编码处理；

步骤三、利用MIMO双选信道，进行信号的无线传输；

步骤四、接收端合并各个天线上接收到的信号来联合检测信号；

步骤五、接收端对信号进行解码处理。

2.根据权利要求１所述的一种基于IEEE80211p标准的多天线车载网络通信方法，其特征在于，步骤三中，所述的MIMO通信技术为空分复用技术或空时编码技术或空域调制技术：

采用空分复用技术，在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去；如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源；所述空间复用技术在高信噪比条件下大大提高信道容量；

采用空时编码技术，在空间域和时间域两个维度方向上对信号进行编码——在不同时刻、不同天线上发射数据的多个副本，从而利用时间和空间分集以提高数据传输可靠性的编码；该技术空间上采用多发多收天线的空间分集来提高无线通信系统的容量和信息率；时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个发射天线，在接收端进行分集接收；

采用空域调制技术，将要发射的信息比特调制成两个部分——信号星座图和发射天线的序；即在某一时刻，只有部分发射天线激活，接收端通过信道信息判断出是哪个或哪些发射天线被激活，以此解调出空域调制的信息比特。

3.根据权利要求１所述的一种基于IEEE80211p标准的多天线车载网络通信方法，其特征在于，步骤二中，编码处理过程如下：

编码：在发送端，采用卷积编码方式（码率），发送信号经过信道编码器以后传输比特数变为之前的两倍；

打孔：采用打孔器对编码后的发送信号进行打孔，得到相应的编码速率；若经过打孔以后比特数不是数据子载波48的整数倍，在打孔后的比特序列后填充比特；

交织器处理：采用交织器进行信号处理；

调制器处理：调制器对经过交织器后输出的发送信号进行调制，采用的调制方式从BPSK、QPSK、16QAM和64QAM中选择；

导频插入：导频插入模块在第-21、-7、7和21个子载波处插入4个导频，用于相位跟踪；

IFFT处理：采用IFFT模块，进行OFDM调制；

插入保护间隔以及前同步码：在IFFT之后插入保护间隔以及前同步码。

4.根据权利要求3所述的一种基于IEEE80211p标准的多天线车载网络通信方法，其特征在于，步骤五中，解码处理过程包括信道解码器、解打孔器、解交织器、解调器、FFT、去除保护间隔模块和同步模块，上述过程为发送端编码处理过程的逆过程。

5.根据权利要求１所述的一种基于IEEE80211p标准的多天线车载网络通信方法，其特征在于，步骤五中，解码处理过程还包括纠正频偏、时偏、相位旋转，并且进行信道估计以及信号检测。